基于APDL的全地面起重机臂架分析

基于APDL的全地面起重机臂架分析
作者：宋轶，杜玉龙
来源：《科技创新与生产力》 2014年第6期
宋轶，杜玉龙
（太原重工技术中心，山西太原 030024）
收稿日期：２０14－02－20；修回日期：２０14－05－22
作者简介：宋轶（1986-），男，山西忻州人，硕士，主要从事工程机械设计研究，E-mail：songyi_kobe@。

1 全地面起重机主要问题概述
全地面起重机臂架系统包括：伸缩主臂、塔式副臂、固定副臂、塔臂前后撑杆、塔臂前拉板、超起撑杆、超起后拉板、超起钢丝绳、变幅油缸，可以根据不同作业要求进行臂架组合。

以太原重工股份有限公司设计的某型号全地面起重机为例，针对超起主臂工况为例进行说明。

2 全地面起重机臂架系统计算方法
2.1 解析计算
依据起重机设计规范和起重运输机结构[1-2]，对图1所示主臂、副臂截面进行分析，
式中：N为臂架轴向压力；A为臂架计算截面的截面积；Mx，My为仅由横向载荷在变幅平面和旋转平面引起的计算截面弯矩；NEx，NEy为臂架在变幅平面和旋转平面的临界力；Wx，Wy 臂架计算截面对轴x和y轴的抗弯模量；σ为许用应力。

解析计算简便，计算速度快，但其只能针对某个截面，对臂架强度没有整体把握，因此运用有限元软件对臂架进行分析。

2.2 利用beam单元进行等效
将全地面起重机臂架系统进行等效（见图2）。

对全地面起重机各部件的结构特点和力学模型分析，主臂和超起撑杆用Beam188三维弹性
梁单元简化[3]，Beam188属于3D弹性梁单元，具有6个自由度，可以分析非线性问题。

变幅
油缸属于二力杆，只能承受拉压，不能承受弯矩，可用Link8或者Link10分析[4]，如果使用
非线性计算则只能选用Link10分析。

拉板是由多个拉板节连接而成，作业时一直处于张紧状态，只能承受张力，故用Link10单元模拟，且能考虑非线性大变形特性。

按图3所示节点建立主臂臂节，在臂销处和滑块搭接处进行自由度耦合，在油缸根铰点和
主臂根铰点处施加位移约束。

将臂架简化为beam单元进行有限元建模分析时，由于beam单元建模简单，计算速度快，
因此这种方法分析效率较高，但其忽略了加强筋和加强板对臂架结构的影响。

3 基于MATLAB的臂架有限元批量分析
在对全地面起重机进行起重性能计算时，要对大量工况进行分析计算，同时要求计算结果
精确。

如果逐一建模分析，将浪费大量时间，分析效率降低。

笔者基于MATLAB编程输出臂架批量分析的APDL命令，进行臂架不同工况组合的快速分析，既提高了分析精确性，又提高了分析效率。

首先建立各节臂及超起撑杆的有限元模型，在各臂节上下滑块、销孔处建立节点集合，并
依据一定的命名规则对各集合进行命名，方便查看及程序自动识别。

以图4所示二节臂为例对各节臂集合进行说明，其他各节臂命名方式相同。

此外还应对超
起撑杆与外部结构相连各节点建立集合并命名，对臂头各连接点建立集合并命名，以便程序自
动识别（见表1）。

由于臂架伸缩组合后要在对应滑块及销孔处建立节点和刚性区域，并进行自由度的耦合，
因此要得出相应销孔及滑块的位置。

首先将各臂节销孔及滑块相对于本臂节原点的坐标作为原
始坐标，其坐标位置见表2。

其次得出每节臂在不同伸缩长度下相对上节臂的伸缩量（见表3）。

根据每节臂相对于上节臂的伸缩量即可得到每节臂相对于总体坐标系的伸缩长度，从而得到各
个销孔及搭接滑块的位置，建立相应的约束，使各臂节组成一个整体。

通过程序可生成某工况的有限元模型，然后进行结构强度分析，稳定性屈曲分析。

利用MATLAB对臂架组装、结构强度分析、稳定性分析、计算结果保存、应力结果截图、数据表格输出的APDL命令流进行自动生成，并后台调用ANSYS进行分析计算，可以进行多工况的批量分析，提高了分析效率。

程序可以对标准主臂、超起主臂、标准塔臂、超起塔臂、固定副臂等工况进行批量分析，对全地面起重机起重性能的确定提供了更为详尽的理论依据。

4 结论
全地面起重机的起重性能是其作业的重要依据，是重要的性能指标，操作时必须严格按照起重性能的要求进行吊载，因此确定起重性能就成为一项重要的工作。

笔者提供的可供选择的臂架强度校核方法，可以提高分析计算的效率。

而且对臂架强度的危险点有更加深刻的了解，有利于对臂架结构进行细节的完善。

参考文献：
[1] 张质文,虞和谦,王金诺等.起重机设计手册[S].北京:中国铁道出版社,2001:783-784.
[2] 王金诺,于兰峰.起重运输机金属结构[M].北京:中国铁道出版社,2002:312-313
[3] 姚嘉.全地面起重机性能计算及有限元分析[D].长春:吉林大学,2009:20-21.
[4] 张正得.大吨位全路面起重机利用有限元进行性能计算程序[D].长春:吉林大
学,2011:10-13.
[5] 尚晓江,邱峰,赵海峰,等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京:中国水利水电出版社,2006:23-24.
[6] 博弈创作室. APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2004:124-128.
（责任编辑石俊仙）。